Verfahren zur Mahlung von wässrig suspendierten Zellstofffasern sowie Mahlgarnituren zu seiner Durchführung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Seit langem ist bekannt, dass Zellstofffasern, d. h. Frischzellstoff- oder Altpapierfasern, in eine pumpfähige Suspension gebracht und gemahlen werden. Dadurch werden die einzelnen Fasern so verändert, dass das später daraus hergestellte Papier die gewünschten Eigenschaften, insbesondere Festigkeiten, Formation und Oberfläche, aufweist. Mahlverfahren der hier betrachteten Art benutzen Mahlwerkzeuge, die mit als Messer bezeichneten Mahlleisten versehen sind. Die entsprechenden Maschinen werden zumeist Mahlrefiner genannt. Bei den Mahlwerkzeugen spricht man meist von Garnituren.
Mahlgarnituren zur Mahlung von Zellstofffasern mit Mahlleisten und dazwischen liegende Nuten sind z.B. aus der DE 20 2005 007 551 U1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Zellstoffmahlung zu schaffen, m it dem es möglich ist, die Mahlung ökonomisch und besonders gleichmäßig durchzuführen, d.h. dass die erreichten mahltechnologischen Veränderungen bei allen Fasern weitestgehend gleich sind. Das soll insbesondere auch dann möglich sein, wenn relativ schmale Mahlleisten im Bereich von 1 mm bis 5 mm verwendet werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Die Ansprüche 27 bis 31 beschreiben jeweils für das Verfahren besonders geeignete Mahlgarnituren.
Mit Hilfe dieser beschriebenen Merkmale ist es möglich, die Strömungen der Fasersuspension in den und zwischen den Mahlgarnituren günstig zu beeinflussen. Die zwischen den Mahlleisten liegenden Nuten sind als Strömungskanäle für die Suspension anzusehen. Dabei kann bei Scheiben- und Kegelrefinern davon ausgegangen werden, dass in Folge der Rotationsbewegung des Rotors und der durch ihn mitgeschleppten Faserstoffsuspension ein mehr oder weniger starker Druckaufbau von den radial innen liegenden nach den radial außen liegenden Bereichen erfolgt. Auf Grund dieser Druckdifferenz findet in den nicht rotierenden Nuten, also zwischen den Messern des Stators, zumindest bereichsweise, eine Rückströmung der Suspension von radial außen nach radial innen statt. Auf dem Weg, den die zurückströmende Suspension innerhalb einer Nut zurücklegt, kann ein Übergang aus der offenen Seite der Nut zur Gegengarnitur erfolgen. Die erfindungsgemäßen Barrieren fördern den Austritt der Suspension aus den zwischen den Mahlleisten liegenden Nuten in die Mahlzone, also an die sich begegnenden Messerkanten. Durch diese Wiederholung der Mahlvorgänge wird die Mahlung gleichmäßiger, was technologisch und energetisch von besonderem Vorteil ist.
Ein weiterer Nutzen der Erfindung liegt darin, dass mit Hilfe der Barrieren die Gefahr des zu schnellen Durchförderns der Suspension durch die Nuten der Rotorgarnitur reduziert oder beseitigt werden kann, die zu einer zu geringeren Mahlung und zu unnötigem Energieverbrauch führen würde.
Grundsätzlich können die genannten Barrieren sowohl bei den Garnituren des Stators als auch bei denen des Rotors oder bei beiden eingesetzt werden.
Mahlverfahren dieser Art werden bei einer Temperatur unter 100 Grad Celsius also ohne nennenswerte Dampferzeugung und typischerweise bei einer Konsistenz zwischen 2 und 8 % durchgeführt. In vielen Fällen wird eine Mahlgarnitur für Verfahren dieser Art so konstruiert, dass sich eine möglichst große Anzahl von Messern darauf unterbringen lässt, z. B. um den Effekt der Mahlung durch Senkung der spezifischen Katenbelastung zu optimieren. Dann werden die Strömungskanäle relativ eng. Mahlverfahren, die mit solchen
Garnituren arbeiten, werden durch die Erfindung besonders wirksam verbessert. Mit Vorteil weisen die für das Verfahren benutzten Garnituren Mahlleisten mit geradlinig verlaufenden Mahlkanten auf, die auch unstetig verlaufen können, also Knickpunkte haben.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden erläutert an Hand von schematischen Zeichnungen. Dabei zeigen:
FFiigg.. 11 :: die Durchführung des Verfahrens am Beispiel eines Scheibenrefiners;
Fig. 2+3: jeweils einen Teil (Sektor) einer erfindungsgemäß verwendbaren
Mahlgarnitur in Draufsicht;
Fig. 4 -8: Varianten in Form und Größe der Barrieren;
Fig. 9: eine Barriere in perspektivischer Darstellung; FFiigg.. 1100:: einen Garnitursektor mit axial versetzten Barrieren;
Fig. 11 : einen Garnitursektor mit Knickpunkten aufweisenden Mahlkanten;
Fig. 12: Durchführung des Verfahrens am Beispiel eines Kegelrefiners.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Mahlvorrichtung durchgeführt werden, wie sie in Fig. 1 schematisch im Schnitt dargestellt ist. Auf einem Stator 8 ist eine Mahlgarnitur 1 und auf einem Rotor 9 eine Mahlgarnitur 2 lösbar mit Hilfe von Schrauben 12 befestigt. Bei den Mahlgarnituren 1 und 2 handelt es sich um Messergarnituren, welche mit Mahlleisten 6 versehen sind, die z.B. in den Fig. 2 und 3 in Draufsicht zu sehen sind. Die zu mahlende Suspension S gelangt bei dem hier gezeigten Beispiel durch das Zentrum des Stators 8 in die Mahlgarnituren 1 und 2. Bei dieser Darstellung ist der axiale Abstand, den die Mahlgarnituren 1 und 2 voneinander haben, stark übertrieben dargestellt. Im Betrieb beträgt er nur Bruchteile von Millimetern. Die Suspension S passiert die zusammenwirkenden Mahlgarnituren 1 und 2, tritt an der Ablaufseite wieder aus, sammelt sich im Ringraum 7 und verlässt zumindest teilweise den Ringraum 7 über einen entsprechenden Stutzen als gemahlene Suspension S'.
- A -
Der Rotor 9 wird durch eine Welle 11 angetrieben. Nicht dargestellt sind die an sich bekannten Mittel, mit denen eine Kraft erzeugt wird, um die beiden Mahlgarnituren gegeneinander zu drücken oder den Mahlspalt einzustellen.
Bei dem hier gezeigten Beispiel sind sowohl auf dem Stator 8 als auch beim Rotor 9 Barrieren 4 und 4' in den Nuten 3 angebracht mit der schon beschriebenen Wirkung. Deren Anordnung wird an Hand von Beispielen in den Fig. 2 und 3 erklärt.
Gemäß Fig. 2 ist auf der zum Stator 8 gehörenden Mahlgarnitur 1 in jeder Nut 3 jeweils eine Barriere 4' eingesetzt. Ihre radiale Erstreckung b kann kurz sein, z. B. 5 bis 30 mm. Die Barrieren 4' sind hier vom radial innersten Rand der Nuten in einem radialen Abstand a2 angeordnet, der etwa 70 % der Radialertreckung L dieser Nuten 3 beträgt, mit Vorteil mindestens 50%. Bei der für den Rotor 9 vorgesehenen Mahlgarnitur 2 (s. Fig.3) ist es anders, da sind die Barrieren 4 vom radial innersten Rand der Nuten in einem radialen Abstand a1 angeordnet, der etwa 30 % der Radialertreckung L dieser Nuten 3 beträgt, mit Vorteil höchstens 50%. Durch diese Anordnung wird die in den Nuten 3 des Rotors 9 strömende Suspension relativ früh aus den mit Barrieren 4 versehenen Nuten in Richtung Stator 8 herausgedrückt und gemahlen.
Wie bereits erwähnt, fließt ein Teil der Suspension nach dem Austritt am radial äußeren Rand der Rotorgarnitur wieder zurück und zwar durch die zwischen den Mahlleisten 6 liegenden Nuten 3 im Stator 8. Die Rückströmung wird durch statorseitige Barrieren 4' abgebremst und die Suspension erneut in den Mahlbereich zwischen zusammenwirkenden Garnituren geleitet. Bei der oben beschrieben Anordnung der Barrieren 4' erfolgt diese Überleitung relativ frühzeitig, z. B. auf dem ersten Drittel des Strömungsweges in der Statornut.
Typischerweise wird die in Fig.2 gezeigte Mahlgarnitur mit weiter außen liegenden Barrieren 4' am Stator 8 und die gemäß Fig. 3 mit weiter innen liegenden Barrieren 4 am Rotor 9 verwendet, was auch dem in Fig.1 dargestellten Prinzip entspricht. Es ist
aber durchaus denkbar, dass die Barrieren gerade umgekehrt angeordnet werden, z. B. wenn es sich als Vorteil herausstellt, dass die Rückströmung in den Nuten der Statorgarnitur und die Strömung in den Nuten der Rotorgarnitur erst relativ spät auf eine Barriere trifft.
Je nachdem wie groß der angestrebte Effekt ist, kann jede Nut 3 mit einer Barriere 4 oder 4' versehen sein oder auch nur ein Teil von ihnen, z. B. jede zweite, dritte oder vierte Nut. Fig. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem jede zweite Nut eine Barriere 4 enthält.
Zumeist sind die Nuten 3 jeweils mit höchstens einer Barriere 4 oder 4' ausgestattet, wobei der Abstand a1 oder a2 vom radial innersten Rand der Nuten 3 bei allen Barrieren 4 bzw. 4' derselben Garnitur mit Vorteil gleich ist. Es ist weiterhin von Vorteil , wenn sich d ie Abstände a 1 und a2 von zusammenwirkenden relativ zueinander bewegten Garnituren (Rotor/Stator) deutlich, z.B. um mindestens 10% unterscheiden.
Wenn der Verschleiß im Bereich der Barrieren sehr hoch ist, kann es günstig sein, benachbarte Barrieren einer Garnitur axial versetzt anzuordnen, um den Verschleiß auf eine größere Fläche zu verteilen. Ein Beispiel zeigt die Fig. 9. Dabei ist dieser Aspekt gegen die Anforderung einer gleichmäßigen Mahlung abzuwägen, die eher bei gleichen Abständen a1 und a2 zu erwarten ist.
Es besteht auch die Möglichkeit, die Nuten jeweils mit mehreren Barrieren zu versehen, insbesondere bei Garnituren mit großer Nutenlänge.
Wie die Fig . 4, 5, 7 und 8 zeigen, können die Barrieren 4 oder 4' eine Höhe h aufweisen, die gleich der Nuttiefe t ist, so dass sie sich bis zu den Mahlkanten der Mahlleisten 6 erstreckt. Fig. 6 hingegen zeigt eine Barriere 5 mit einer nur 80% der Nuttiefe t betragenden Höhe h, die daher nur einen Teil der Nut verschließt. Auch eine solche niedrigere Barriere 5 kann hydraulisch durchaus wirksam sein.
Die Fig. 4, 5, 6, 7 und 9 zeigen günstige Ausgestaltungen, bei denen die angeströmten Führungsflächen der Barrieren 4, 4' und 5 abgeschrägt sind, um eine bessere Strömungsführung an dieser Stelle zu erreichen. Eine solche Abschrägung 13 bzw. 13' erstreckt sich mit Vorteil über mindestens 80% der Höhe h der Barriere. Der Steigungswinkel α bzw. α ' beträgt dann mindestens 15 Grad, z. B. zwischen 45 und 89 Grad. Eine ähnliche Wirkung kann evt. auch mit einer Abrundung an der Zuströmseite gemäß Fig. 8 erreicht werden. Abrundungen oder Abschrägungen können mit besonderem Vorteil auch auf beiden Seiten der Barrieren angebracht sein, wie ein Beispiel in Fig. 5 zeigt. Insbesondere bei statorseitig verwendeten Mahlgarnituren können die Strömungsverhältnisse dadurch weiter verbessert werden.
Die Mahlkanten 15 können geradlinig verlaufen, was die Herstellung der Garnituren vereinfacht und strömungstechnisch günstig ist. Wie Fig. 11 zeigt, können auch ein oder mehrere Knickpunkte 15 den Winkel zum Radius verändern, insbesondere, wenn dadurch ein günstigerer Schnittwinkel der sich begegnenden Mahlkanten von zusammenwirkenden Mahlgarnituren (Rotor 9 mit Stator 8) erzeugt wird.
Das Verfahren kann auch so ausgestaltet werden, dass zusätzlich zu den, insbesondere in Kombination mit den in den Ansprüchen beschriebenen Maßnahmen der Strömungsquerschnitt in den Nuten 3 durch unterschiedliche Nuttiefe t verändert wird. Dann nimmt also die Nuttiefe von innen nach außen zu oder ab, wobei die Zunahme der Nuttiefe t beim Stator und die Abnahme beim Rotor besonders vorteilhaft ist. Auch dadurch lässt sich die Rückströmung in den Nuten beeinflussen, insbesondere der Übertritt der in den Nuten zurückströmenden Suspension in die Mahlzone fördern.
Soll das Verfahren mit einem Kegelrefiner durchgeführt werden; dann kann das gemäß Fig. 12 erfolgen. Man erkennt dort einen die Garnituren 1 ' tragenden innenkegeligen Stator 8 sowie einen dazu koaxialen außenkegeligen Rotor 9 mit den Mahlgarnituren 2'. Da Kegelrefiner bekannt sind, erübrigen sich hier weitere Beschreibungen dieser Maschinen. Sowohl stator- als auch rotorseitig sind Barrieren 4, 4' zwischen den Nuten angebracht, wobei bezüglich Anzahl, Form und Anordnung
das im Zusammenhang mit scheibenförmigen Mahlgarnituren Gesagte übernommen werden kann.